[백조실험실⑬]천연가스로 연료전지 만드는 촉매

김건태 유니스트 교수 "50억 경우의 수에서 건진 행운"

▲김건태 교수

[아시아경제 정종오 기자] 21세기는 과학기술의 시대이다. 과학기술은 백조(白鳥)를 닮았다. 결과물은 매우 우아하고 획기적이다. 성과물이 나오기 까지 물밑에서 수없이 많은 발이 움직이고 있다. 그 과정은 힘들고 시간이 오래 걸린다. 연구원들의 발짓이 우아한 백조를 만드는 하나의 밑거름이다. 과학기술은 또한 백조(百兆)시대를 열 것이다. 하나의 기술이 100조 원의 가치를 창출한다. '백조 실험실'은 하나의 성과물을 만들기 위해 노력하는 실험실 현장의 이야기를 매주 한 번씩 담는다.[편집자 주]
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세계 연료전지 시장은 연평균 85%의 성장세를 보였다. 2013년 시장 규모는 1조7000억 원에 달했다. 2018년 5조1000억, 2023년 38조6000억 원에 이를 것으로 전망된다. 기후변화에 대응하면서도 안전한 에너지를 바라는 사람들이 늘면서, 연료전지 수요도 점차 증가하는 추세다.

김건태 유니스트(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수는 연료전지에 들어가는 '촉매'를 개발하는 과학자다. 촉매는 반응에 참여하는 물질 사이에서 효율을 높여준다. 연료전지 성능과 직결되는 물질이다. 김 교수는 최근 새로운 촉매를 개발했다. 수소는 물론 천연가스를 바로 써도 안정적으로 작동하는 강력한 촉매 물질이다.

이 물질은 하루아침에 만들어지지 않았다. 김 교수가 미국 유학 때 '이중층 페로브스카이트'를 개발한 다음부터 15년 정도 꾸준히 연구한 끝에 맺은 결실이다. 이중층 페로브스카이트는 산소가 잘 이동한다. 표면특성도 우수해 연료전지의 성능을 높이는 데 안성맞춤이다.

문제는 이 구조에 들어갈 원소들을 조합하면 50억 가지 경우의 수가 나온다는 데 있었다. 더 좋은 촉매를 만들려면 실험하고 분석하기를 부지런히 반복해야 했다. 10년 정도 실험한 결과가 쌓이자 수소가 아닌 탄화수소를 바로 써도 되는 촉매 물질(PBMO)을 찾을 수 있었다. 이 물질은 2014년 12월 22일자 네이처 머티리얼스에 보고돼 학계를 놀라게 했다.

최근에 만든 촉매 물질은 PBMO에 전이금속을 결합시킨 형태다. 3년 동안 1000여 장의 전자현미경 사진을 분석한 결과, 전이금속이 연료전지 작동 환경에서 또 다른 촉매처럼 쓰인다는 게 확인됐다. 물질 내부에 있던 전이금속이 표면으로 올라오면서 연료전지의 안정성과 성능이 더 좋아진 것이다.

김 교수는 "이번에 개발한 촉매 물질을 연료전지에 적용하면 집집마다 천연가스로 전기를 만드는 소형 고체산화물 연료전지를 설치할 수 있다"며 "비싼 수소를 쓰지 않아도 되고 폐열로 온수도 공급할 수 있어 전기세를 줄이면서 전력대란도 피할 수 있을 것"이라고 말했다.

그는 이어 "연료전지 분야에서 원천기술을 확보한다는 점에서 보람을 느낀다"며 "아직은 피부에 와 닿지 않는데 연료전지 시대가 오면 우리 기술이 빛을 발할 것"이라고 기대했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr